CN104184529A - 一种基于切换的异轨星间天线及其捕获跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于切换的异轨星间天线及其捕获跟踪方法，所述的天线包括微波切换组件和天线阵列；天线阵列由N个窄波束天线阵元组成；微波切换组件具有2个设备耦合接口记为P1、P2和N个天线耦合接口，设备耦合口P1通过双工器分别与星上发射机及接收机相连，另一个设备耦合口P2与信号探测器相连；一个窄波束天线阵元与一个天线耦合接口相连，每个设备耦合接口能够与所有的天线耦合接口之间分别形成射频通路；各窄波束天线阵元的电轴指向各不相同，在空间中呈放射状，相邻两个窄波束天线阵元的波束覆盖范围有重叠，整个天线阵列满足卫星在轨相对位置变化时，波束覆盖范围的需要。

Description

一种基于切换的异轨星间天线及其捕获跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种异轨卫星星间天线设计及捕获跟踪过程。

背景技术

卫星编队或卫星星座在完成空间组网任务时，常常涉及到在异轨卫星间构建星间链路。异轨卫星存在高速的相对运动，构建星间链路时，需要星间天线能够实时依据卫星的相对位置，调整天线指向。指向的调整速度必须满足卫星相对运动的需要。天线指向的调整分为两个阶段：初始捕获阶段和跟踪阶段。在初始捕获阶段，星间天线需在较大的空间范围内探测入射信号，初步确定入射波的入射方向；在跟踪阶段，星间天线需要自动辨识跟踪电磁波入射角度的变化，依据对入射角变化的情况实时调整天线的指向，使得天线指向始终与入射波波达方向保持一致，确保通信过程的连续性。

目前，我国卫星编队或卫星星座使用的异轨星间通信天线多采用反射面配合机械伺服驱动机构。受机械惯性的限制，机械伺服驱动机构捕获与跟踪速度都较慢。在初始捕获阶段，机械伺服机构无法在较大范围内搜索入射信号，必须依据卫星轨道，计算出目标指向位置，并将天线粗略指向该目标方向，在该目标方向小范围内进行搜索；在跟踪阶段，伺服机构的转动速度较慢，不能满足在高速相对运动卫星间构建星间链路的需要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于切换的异轨星间天线设计形式及其捕获跟踪方法。该天线设计不依赖于卫星轨道测定，克服了反射面转动天线机械驱动机构捕获、跟踪速度慢的缺点。

本发明的技术解决方案是：一种基于切换的异轨星间天线，包括微波切换组件和天线阵列；天线阵列由N个窄波束天线阵元组成；微波切换组件具有2个设备耦合接口记为P1、P2和N个天线耦合接口，设备耦合口P1通过双工器分别与星上发射机及接收机相连，另一个设备耦合口P2与信号探测器相连；一个窄波束天线阵元与一个天线耦合接口相连，每个设备耦合接口能够与所有的天线耦合接口之间分别形成射频通路；各窄波束天线阵元的电轴指向各不相同，在空间中呈放射状，相邻两个窄波束天线阵元的波束覆盖范围有重叠，整个天线阵列满足卫星在轨相对位置变化时，波束覆盖范围的需要。

一种利用上述异轨星间天线实现的捕获跟踪方法，步骤如下：

(1)在需要建立异轨星间链路的两颗卫星上分别安装权利要求1所述的天线，其中天线阵列的安装确保在轨时，两颗星分别在对方天线阵列波束的覆盖范围内；两颗卫星分别记为A星和B星，A星作为信标方，B星作为捕获方；

(2)A星发射机发射信标信号XA，A星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换与设备耦合接口P1对应的射频通路，使得P1对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描；

(3)B星的信号探测器连续探测信标信号XA的强度，B星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换设备耦合接口P2对应的射频通路，使得P2对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描，当信号探测器探测到信标信号时，微波切换开关将探测到信标信号射频通路对应的天线阵元TB接入设备耦合接口P1的接收机，同时由发射机向A星发射确认信号ACKB；

(4)A星接收机接收到确认信号ACKB后，A星微波切换组件停止切换设备耦合接口P1对应的射频通道，将当前连通的天线阵元记为TA；A星发射机开始向B星发射有效数据；

(5)B星接收机接收有效数据，并在接收的同时由发射机向A星发送信标信号XB；之后，A星直接执行步骤(a)的处理，B星直接进入步骤(b)的处理；

(a)A星上信号探测器连续探测信标信号XB，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TA相邻的阵元，判断探测到的信标信号XB的强度是否优于天线阵元TA对应的信号强度，若优于，则A星停止向B星发送有效数据，转而发送信标信号XA至B星，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TA，切换完成后，恢复向B星发送有效数据，并返回步骤(5)；否则，A星继续发送有效数据至B星，并返回步骤(5)；

(b)B星上信号探测器连续探测来自A星的有效信号，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TB相邻的阵元，判断探测到的信号强度是否优于天线阵元TB对应的信号强度，若优于，则通知A星停止发射有效数据，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TB，切换完成后通知A星继续发送有效数据，返回步骤(5)继续执行；否则，B星继续接收A星发射的有效数据，返回步骤(5)继续执行。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明的捕获过程，完全使用信号检测的方式，具有很强的星上自主能力，不依赖于卫星轨道测定或对方卫星的先验信息，减少了地面测控的复杂性。这一设计同时简化了星上信息流程，省去了轨道信息的传递过程，避免了依据轨道进行指向计算的复杂计算过程；

(2)本发明的捕获过程使用微波切换扫描的方式，相对于机械捕获装置具有捕获速度快的优点。

(3)本发明的跟踪设备没有机械伺服机构，不受机械惯性的影响，最大跟踪速度快，能够最大限度地满足星座内(或编队内)卫星高速相对运动的需要。

附图说明

图1为本发明方法的原理图；

图2为阵列天线设计图；

图3为阵元波束覆盖范围重叠设计；

图4为微波切换组件设计图；

图5为扫描图样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。本发明一种基于切换的异轨星间天线，如图1所示，包括微波切换组件和天线阵列；天线阵列由N个窄波束天线阵元组成，依据指向角的需求可设计成线阵列或面阵列；微波切换组件如图4所示具有2个设备耦合接口(记为P1、P2)和N个天线耦合接口，P1口通过双工器分别与星上发射机及接收机相连，P2口与信号探测器相连；一个窄波束天线阵元与一个天线耦合接口相连，P1口和P2口均可通过微波切换开关与任意天线阵元形成射频通路。各窄波束天线阵元的电轴指向各不相同，在空间中呈放射状如图2所示，相邻两个窄波束天线阵元的波束覆盖范围有重叠，如图3所示，整个天线阵列满足卫星在轨相对位置变化时，波束覆盖范围的需要。

下面介绍如何利用上述设计的天线实现捕获、跟踪。设需要建立异轨星间链路的两颗卫星分别为A星和B星，其中，A星作为信标方，B星作为捕获方。

(1)在A星及B星上分别安装上述天线。

其中，要求在A星及B星的相对可见面上安装天线阵列。天线阵列的安装需考虑到A星与B星在轨的相对位置关系。确保在轨时B星在A星天线阵列波束的覆盖范围内；A星在B星天线阵列波束的覆盖范围内。

天线阵列与微波切换组件之间的连接采用波导连接。微波切换组件与发射机、接收机、信号探测器之间的连接采用同轴电缆。发射机与接收机之间采用环形器进行收发隔离。发射机发射频点与接收机接收频点应具备一定的双工间隔，一般不小于100MHz。当发射机与接收机之间隔离度不足影响到接收机接收灵敏度时，可在接收机前加装滤波装置。发射机采用BPSK调制方式，接收机具备BPSK解调功能，信号探测器能有效探测特定的BPSK调制信号。

(2)A星发射机发射信标信号XA，A星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换与设备耦合接口P1对应的射频通路，使得P1对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描；扫描图样一般为螺旋式如图5所示。(也可根据应用的需要灵活设定扫描图样)，即从位于天线阵中心的阵元开始扫描，扫描轨迹呈螺旋状向外扩展。这种扫描方式能够涵盖天线阵的所有阵元，扫描范围能够遍历天线阵列的覆盖区域。扫描的过程中在每个阵元的驻留时间不小于5ms，以便接收端有足够的时间完成捕获。

信标信号XA的帧结构如下：

信标前导头

源卫星代号

目标卫星代号

源卫星当前扫描阵元

源卫星下一扫描阵元

初始捕获阶段标识

信标前导头：为信标信号的特征码，捕获方可使用信标前导头识别信标信号，并进行帧同步。

源卫星代号：表示发送方的代号。接收方依据该代号区分不同的星间链路。目标卫星代号：表示接收方的代号。接收方依据该代号确认是否需要接收。源卫星当前扫描阵元，源卫星下一扫描阵元：在当前扫描阵元未能完成捕获时，接收方可依据该信息调整扫描图样，在源卫星下一扫描阵元完成捕获。

初始捕获阶段标识：表示源卫星是否处于初始捕获阶段。这里填是。

(3)B星的信号探测器连续探测信标信号XA的强度，B星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换设备耦合接口P2对应的射频通路，使得P2对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描。但扫描的速度应明显高于A星的扫描速度。在每个阵元的驻留时间一般为0.5ms。当信号探测器探测到信标信号XA时，微波切换开关将当前连通的天线阵元TB接入设备耦合接口P1的接收机，同时由发射机向A星发射确认信号ACKB；若没有探测到信标信号，返回步骤(3)继续执行。

确认信号ACKB格式如下：

确认前导头

源卫星代号

目标卫星代号

确认前导头：是确认信号的特征码。该特征码与信标前导头具有良好的互相关性。源卫星可使用该导头识别确认信号。

(4)A星接收机接收到确认信号ACKB后，A星微波切换组件停止切换设备耦合接口P1对应的射频通道，将当前连通的天线阵元记为TA；A星发射机开始向B星发射有效数据；

有效数据格式如下：

有效数据前导头

源卫星代号

帧计数

有效数据

有效数据前导头：是有效信号帧的特征码。该特征码与信标前导头、确认信号前导头都具有良好的互相关性。接收端可使用该导头识别有效数据。

(5)B星接收机接收有效数据，并在接收的同时由发射机向A星发送信标信号XB；之后，A星直接执行步骤(a)的处理，B星直接进入步骤(b)的处理；

(a)A星上信号探测器连续探测信标信号XB，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TA相邻的阵元，判断探测到的信标信号XB的强度是否优于天线阵元TA对应的信号强度。若优于，则A星停止向B星发送有效数据，转而发送信标信号XA至B星，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TA，切换完成后，恢复向B星发送有效数据，并返回步骤(5)；否则，A星继续发送有效数据至B星，并返回步骤(5)；

(b)B星上信号探测器连续探测来自A星的有效信号，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TB相邻的阵元，判断探测到的信号强度是否优于天线阵元TB对应的信号强度。若优于，则通知A星停止发射有效数据，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TB，切换完成后通知A星继续发送有效数据，返回步骤(5)继续执行；否则，B星继续接收A星发射的有效数据，返回步骤(5)继续执行。上述通知以信令的格式发送：

信令前导头

源卫星代号

目标卫星代号

信令计数

信令内容

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于切换的异轨星间天线，其特征在于：包括微波切换组件和天线阵列；天线阵列由N个窄波束天线阵元组成；微波切换组件具有2个设备耦合接口记为P1、P2和N个天线耦合接口，设备耦合口P1通过双工器分别与星上发射机及接收机相连，另一个设备耦合口P2与信号探测器相连；一个窄波束天线阵元与一个天线耦合接口相连，每个设备耦合接口能够与所有的天线耦合接口之间分别形成射频通路；各窄波束天线阵元的电轴指向各不相同，在空间中呈放射状，相邻两个窄波束天线阵元的波束覆盖范围有重叠，整个天线阵列满足卫星在轨相对位置变化时，波束覆盖范围的需要。

2.一种利用权利要求1所述异轨星间天线实现的捕获跟踪方法，其特征在于步骤如下：

(1)在需要建立异轨星间链路的两颗卫星上分别安装权利要求1所述的天线，其中天线阵列的安装确保在轨时，两颗星分别在对方天线阵列波束的覆盖范围内；两颗卫星分别记为A星和B星，A星作为信标方，B星作为捕获方；

(2)A星发射机发射信标信号XA，A星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换与设备耦合接口P1对应的射频通路，使得P1对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描；

(3)B星的信号探测器连续探测信标信号XA的强度，B星上的微波切换组件按照预设的扫描图样控制切换设备耦合接口P2对应的射频通路，使得P2对应的射频通路上的窄波束天线阵元按照预设的扫描图样进行扫描，当信号探测器探测到信标信号时，微波切换开关将探测到信标信号射频通路对应的天线阵元TB接入设备耦合接口P1的接收机，同时由发射机向A星发射确认信号ACKB；

(4)A星接收机接收到确认信号ACKB后，A星微波切换组件停止切换设备耦合接口P1对应的射频通道，将当前连通的天线阵元记为TA；A星发射机开始向B星发射有效数据；

(5)B星接收机接收有效数据，并在接收的同时由发射机向A星发送信标信号XB；之后，A星直接执行步骤(a)的处理，B星直接进入步骤(b)的处理；

(a)A星上信号探测器连续探测信标信号XB，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TA相邻的阵元，判断探测到的信标信号XB的强度是否优于天线阵元TA对应的信号强度，若优于，则A星停止向B星发送有效数据，转而发送信标信号XA至B星，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TA，切换完成后，恢复向B星发送有效数据，并返回步骤(5)；否则，A星继续发送有效数据至B星，并返回步骤(5)；

(b)B星上信号探测器连续探测来自A星的有效信号，并由微波切换组件切换设备耦合接口P2对应的射频通路使得与信号探测器相连的天线阵元为当前天线阵元TB相邻的阵元，判断探测到的信号强度是否优于天线阵元TB对应的信号强度，若优于，则通知A星停止发射有效数据，并将天线阵元切换至信号强度优的阵元，该信号强度优的阵元作为新的天线阵元TB，切换完成后通知A星继续发送有效数据，返回步骤(5)继续执行；否则，B星继续接收A星发射的有效数据，返回步骤(5)继续执行。